В декабре 2008 года Зоуи обручилась с вокалистом групп "Death Cab for Cutie" и "The Postal Service", музыкантом Беном Гиббардом. Церемония бракосочетания состоялась 19 сентября 2009 года недалеко от Сиэтла (штат Вашингтон). 1 ноября 2011 года пара рассталась.

27 декабря 2011 года Зоуи подала на развод, сославшись на непримиримые разногласия. Бракоразводный процесс завершился 12 декабря 2012 года.

После развода с Беном Гиббардом у Зоуи Дешанель были отношения со сценаристом Джеми Линденом. После двух лет отношений пара решила расстаться.

В августе 2014 года Зоуи начала встречаться с продюсером Джейкобом Печеником.

В январе 2015 года стало известно, что Зоуи и Джейкоб ждут первенца, который должен родиться летом 2015 года.

21 января 2015 года официальный представитель пары сообщил, что Зоуи и Джейкоб помолвлены.

21 июня 2015 года пара тайно поженилась.

В июле 2015 года Зоуи родила дочь.